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1 OLYMPIADES DE PHYSIQUE France Année 2010-2011 XVIII e édition Proteus Robot détecteur de mines. Elèves participants : Cano Manon Garric Justine Labat Bastien Kopp Paul-Emile Petitpas Guillaume Avec LACLAVERIE Jean-Michel Professeur encadrant Lycée Bernard Palissy- AGEN Académie de Bordeaux

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    OLYMPIADES DE PHYSIQUE France Année 2010-2011

    XVIIIe édition

    Proteus Robot détecteur de mines.

    Elèves participants :

    Cano Manon Garric Justine

    Labat Bastien Kopp Paul-Emile Petitpas Guillaume

    Avec LACLAVERIE Jean-Michel

    Professeur encadrant

    Lycée Bernard Palissy- AGEN

    Académie de Bordeaux

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    Table des matières

    Résumé

    Partenaires

    Mots clefs

    Introduction

    1- Détecteur de métaux à battements

    1.1- Principe de la détection 1.2- Les détecteurs à battements 1.3- Montage et tests du détecteur à battements

    1.3.1 L’oscillateur à réaction

    1.3.2 La multiplication des signaux

    1.3.3 Changements de perspectives

    2- Le détecteur à filtre passe-bande de bande passante variable

    2.1- Modification du montage précédent

    2.2- Test d’un premier filtre

    2.3- Performances et choix des composants

    2.4- Les dispositifs d’alerte et d’arrêt

    2.5- Le robot en fonctionnement

    Conclusion

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    Résumé :

    Nous avons fabriqué un détecteur de métaux, porté par une voiture télécommandée.

    Dans le cas de la recherche d’un modèle de mine anti-personnelle, seul le robot est en

    danger, pas l’opérateur. La détection d’un objet métallique par la bobine entraîne l’arrêt du

    véhicule et le signalement de l’objet par un son et l’allumage d’une lampe. La variation de

    fréquence est convertie en tension pour déclencher l’arrêt du robot, par l’intermédiaire d’un

    transistor de puissance et d’un montage comparateur. Nous avons essayé de réaliser un

    montage efficace et simple car nous n’avons aucun enseignement d’électronique au lycée.

    Notre système est suffisamment performant pour révéler la présence d’un objet métallique de

    100 g enfoui à 10 cm. Toutes nos connaissances actuelles en électronique ont été acquises

    grâce à ce travail.

    Partenaires : Radio-modèle 47

    Mots clefs : Induction, bobine détectrice, filtre actif à bande passante variable, robot.

    Introduction

    Le cours de physique de Première S aborde l’électromagnétisme, les aimants et les

    bobines, les moteurs et les haut-parleurs. Notre professeur de physique nous a montré en

    cours la bobine d’un détecteur de métaux. Nous cherchions un sujet pour les Olympiades de

    physique et nous l’avons trouvé ce jour-là : fabriquer un robot détecteur de métaux.

    Les premiers détecteurs de métaux sont apparus vers la fin de la 2nde

    guerre mondiale

    après les travaux de Józef Kosacki. Ils ont d’abord servi au déminage et à d’autres utilisations

    militaires avant d’être des outils pour l’archéologie et les chercheurs de trésors. Une

    caractéristique importante d’un détecteur de métaux est la sensibilité. Elle va déterminer le

    type d’objet qu’il est possible de trouver et leur profondeur.

    Notre première piste de travail a été un montage utilisant les battements de deux

    fréquences proches, celle d’un oscillateur fixe et celle de l’oscillateur dont la fréquence varie

    à cause de la présence de métal prés de la bobine détectrice. Le signal de sortie est un signal

    d’amplitude constante, mais de fréquence variable. Le traitement de ce signal pour

    commander l’arrêt d’un moteur demande de nombreuses étapes : filtre passe-bande, détecteur

    de crête pour la démodulation, conversion fréquence-tension, montage comparateur pour

    commander un transistor. Le nombre de composants et le nombre de pannes augmentant de

    manière inquiétante, nous nous sommes alors demandé s’il n’était pas possible de faire plus

    simple.

    Nous avons alors modifié l’oscillateur variable, pour le transformer en simple filtre passe

    bande actif à bande passante variable. Pas de multiplieur, plus de démodulation et de circuit

    intégré pour la conversion fréquence-tension. Les performances de détection sont

    comparables à celles de notre premier détecteur à battements.

    Sa sensibilité est cependant peu élevée car notre montage n’utilise pas de circuits

    électroniques complexes. Nous avons voulu nous limiter à ce qu’il nous semblait possible de

    comprendre.

    Le signal de sortie du détecteur sert à bloquer l’avancement d’une voiture

    télécommandée, si un métal est présent à proximité de sa bobine de détection. La commande

    d’arrêt de la voiture est obtenue grâce à un montage comparateur et un transistor de puissance.

    Nous vous présentons les différentes étapes de notre projet, dans l’ordre dans lequel nous

  • 4

    les avons réalisées. Dans une première partie, nous abordons notre travail sur le détecteur de

    métaux à battements. Puis la seconde partie présente la modification du montage à battements

    pour obtenir un détecteur à filtre passe bande à bande passante variable, moins sujet aux

    pannes. Nous avons fait varier les paramètres du circuit pour améliorer sa sensibilité. Dans la

    troisième partie nous abordons la commande du moteur et des dispositifs d’alerte. Pour finir,

    nous présentons les performances de notre robot.

    1 Détecteur de métaux à battements

    1.1- Principes de la détection

    Pour détecter les métaux, plusieurs voix sont possibles. On peut utiliser un champ

    magnétique variant dans le temps car les métaux réagissent aux champs magnétiques. Le

    champ magnétique est alors produit par une bobine parcourue par un courant alternatif. C’est

    le cas de la plupart des détecteurs du commerce.

    Un oscillateur électrique comportant une bobine permet de fabriquer le champ magnétique

    variable. Tout élément métallique présent dans ce champ, modifie la valeur de l’inductance L

    de la bobine et donc la fréquence de l’oscillateur auquel elle appartient.

    En effet, le métal a la faculté de conduire l’électricité. Le champ créé par la bobine peut

    induire des courants de Foucault dans les métaux, qui à leur tour créent des champs

    magnétiques induits. C’est ce phénomène qui modifie la fréquence de l’oscillateur. On appelle

    courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la

    variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu, soit par un

    déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. C’est la variation de

    fréquence de l’oscillateur qui est la première étape de la détection.

    Il existe aussi une autre voie expérimentale, que nous présenterons dans la seconde partie

    de ce mémoire. Au lieu d’utiliser un oscillateur à fréquence variable, il est possible d’utiliser

    un filtre passe-bande, centré sur une fréquence qui varie en présence d’un métal. Ce montage

    plus simple, moins sujet aux pannes, est celui que nous utiliserons dans le montage final.

    1.2- Les détecteurs à battements

    Ces détecteurs utilisent la technique des battements de fréquences et des circuits

    résonants :

    - La technique des battements de fréquences est enseignée en spécialité physique de Terminale S, pour la chaîne de transmission des signaux radios et en acoustique,

    pour l’accord de deux instruments de musique.

    - Les oscillateurs sont des circuits résonants, dont l’un utilise la bobine du capteur

    comme inductance. Une variation de l’inductance L modifiera la fréquence des

    oscillations. Les oscillations d’un circuit LC sont enseignées en tronc commun.

    - Les champs magnétiques sont abordés en première S

    C’est pour cela que nous avons tout d’abord choisi de réaliser un détecteur à

    battements, pour avoir plus d’atouts pour comprendre le fonctionnement de notre système.

    Cette technique est la moins compliquée à mettre en œuvre, même si elle a des défauts

    et des limites. On peut utiliser un oscillateur fixe et un oscillateur variable utilisant la bobine

    de la tête de détection. En mélangeant le signal de ces deux oscillateurs, on obtient un

    battement, soit la différence des deux fréquences. Il faut créer un battement audible de

    quelques centaines de Hz, pour que la détection soit possible.

  • 5

    Le montage précédent n’est pas suffisant si l’on veut commander l’arrêt d’un moteur.

    Il faut alors rajouter un convertisseur fréquence tension, un comparateur et un transistor de

    puissance.

    La technique des battements présente deux inconvénients pour les démineurs ou les

    chercheurs de trésor. Les circuits résonnants ne sont pas stables en fréquence. Ils sont en

    particulier très sensibles à la température. Nous avons au cours de nos expériences observé

    des dérives en fréquences de nos oscillateurs et de nos générateurs de signaux. Mais nous

    avons la possibilité d’ajuster manuellement les fréquences sur nos prototypes, pendant les

    mesures.

    De plus, la bobine est sensible aux corps ferreux des sols minéralisés et la réponse du

    détecteur varie aussi avec la distance détecteur-sol. Ces deux problèmes occasionnent des

    variations de tonalité sans rapport avec une détection. Pour nos expériences, la voiture se

    déplacera sur une table en plastique ou en céramique. Il est impossible de la faire se déplacer

    sur le sol de la classe à cause des ferrailles qui sont

    inclues dans le béton. La bobine est fixée à 1cm du

    sol et cette distance ne varie pas, ce qui évite de

    fausses détections.

    La bobine va déterminer la fréquence de

    l’oscillateur variable. Elle doit donc être choisie

    avec soin pour que des battements soient possibles

    avec l’oscillateur fixe. Voici sur la photo 1,

    quelques unes des bobines que nous avons testées.

    Remarque : Il existe aussi des détecteurs à

    induction pulsée et balance d’induction, mais ils

    sont beaucoup plus complexes et coûteux.

    Nous avons téléchargé plusieurs articles de revue d’électronique présentant la

    construction de détecteur de métaux. Dans un article de la revue Nouvelle électronique de

    janvier 1997, p 42-51, un mini-détecteur est décrit. Il fonctionne à 40 kHz et utilise une

    antenne détectrice de ferrox-cube (ferrite), comme celle contenu dans les récepteurs radios

    grande ondes et moyenne-ondes. La bobine d’un détecteur de métaux n’est donc pas toujours

    circulaire et plate. La fréquence correspond à celle des émetteurs ultrasons du laboratoire que

    nous avons déjà utilisés. Comme dans la chaîne de régulation thermique de l’inspecteur de

    Sciences Physiques M.Moreaux vue en MPI, un transistor sert à déclencher le fonctionnement

    d’un circuit électrique, ici le circuit du buzzer.

    Photo 1

  • 6

    Un détecteur à battements à 445 kHz est présenté par Elektor, janvier 1979, page 111.

    Les fréquences de détecteurs à performances comparables, peuvent être très différentes les

    unes des autres, de 40 kHz à 445 kHz ou plus. Elles dépendent surtout des caractéristiques de

    la bobine. Après cette première documentation et en nous aidant de notre cours de spécialité

    physique, nous avons fabriqué notre premier détecteur à battements.

    1.3 Montage et tests du détecteur à battements

    1.3.1 L’oscillateur à réaction :

    Le système bouclé constitué d’un filtre passe-bande passif (L, C, R, R2) et d’un

    amplificateur non inverseur, peut fonctionner en oscillateur. Notre oscillateur n’est pas

    sinusoïdal, le signal étant écrêté. Il est capable de délivrer un signal de sortie alternatif en

    l'absence de signal d'entrée. Ceci est possible grâce à un couplage entre sortie et entrée de

    telle sorte que la fraction du signal de sortie qui est réinjectée à l'entrée soit responsable d'un

    signal de sortie d'amplitude au moins égale à celle qui lui a donné naissance. La puissance

    nécessaire à l’entretien des oscillations est fournie par l’alimentation continue de

    l’amplificateur opérationnel.

    Les composants sont dans un premier temps choisis parmi ceux présents dans la

    classe d’MPI. Nous choisissons des condensateurs et des bobines pour obtenir des fréquences

    d’oscillation de quelques dizaines de kHz, car elles sont visualisables sur le logiciel Latispro

    et notre documentation nous a montré qu’un détecteur à battements peut fonctionner à ces

    fréquences-là.

  • 7

    La fréquence de résonance du circuit oscillant est aussi la fréquence centrale ou

    fréquence d’accord du filtre passe-bande. C’est également la fréquence propre des oscillations

    d’un circuit LC, que nous avons vu en cours d’électricité de Terminale S :

    Fo = 1/(2Π√(LC))

    Les bobines que nous avons fabriquées, comme la plus part de celles présentes au

    laboratoire, ont une inductance inconnue. Nous les avons placées dans des oscillateurs pour

    déterminer cette inductance.

    Nous avons trouvé ce montage dans un livre d’électronique de Terminale STI. Nous

    n’avons pas abordé son fonctionnement théorique, et les équations qui permettent de le

    décrire. Nous avons choisi nos composants par essais successifs. Notre compréhension du

    montage n’est qu’expérimentale.

    Oscillateur à 62626 Hz

    C’est le premier oscillateur que nous ayons testé, avec une fréquence de vibration

    Fo = 62626 Hz lorsque tout objet métallique est éloigné.

    La bobine n’a pas la valeur de son inductance indiquée, seulement le nombre de

    spires. C’est une bobine à section carrée, haute de 12 cm et ayant servi pour des

    transformateurs. En supposant correcte l’indication de la capacité du condensateur (2,2 nF), la

    bobine de 2x125 spires a une inductance proche de 2,9 mH.

    L’oscillateur fonctionne, mais il n’est pas sinusoïdal. Le signal est rectangulaire et

    permet la détection. Lorsque l’on approche de la bobine un objet métallique, la valeur de la

    fréquence d’oscillation indiquée par Latispro change. Pour un objet en plastique, il n’y a

    aucune variation de fo. Les variations sont d’autant plus importantes que l’objet métallique est

    près de la bobine. Elles sont très importantes si l’objet rentre dans la bobine, mais ce n’est pas

    possible pour un détecteur de métaux en fonctionnement.

    Oscillateur à 41582 Hz (fichier 08047)

    Avec la petite bobine jaune de la photo 1 et un condensateur de 4,7 nF, nous obtenons

    des oscillations à 41582 Hz, et une détection correcte. Le signal a la même forme que

    précédemment.

    Les sites consacrés à la détection indiquent les performances des bobines en fonction

    de leur taille et de leur forme : Plus le disque sera petit plus les champs électromagnétique

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    seront « concentrés » et il sera possible de détecter de très petits objets de manière précise,

    évidement la profondeur sera plus faible. A contrario, plus le disque est grand plus le champ

    est large .On trouver des objets de plus grandes tailles, avec moins de précision, mais plus

    profondément. Les disques de 20 cm sont reconnus par les fabricants comme étant les disques

    "standard".

    Nous avons comparé les performances de tous nos oscillateurs.(voir partie 2)

    Pour cela nous avons mesuré la variation de fréquence de l’oscillateur en fonction de la

    distance de l’objet métallique. Puis nous avons inséré une même bobine dans des oscillateurs

    de fréquences différentes pour choisir le plus sensible. Nous avons aussi testé des objets de

    tailles différentes.

    Nous avons remarqué que plus la fréquence des oscillations est élevée, plus le système

    dérive au cours du temps. Nous pensions initialement que plus la fréquence des oscillations

    est grande, plus le système serait sensible. Ce n’est pas le cas pour nos montages.

    1.3.2 La multiplication des signaux :

    Après ces tests pour choisir l’oscillateur, nous avons poursuivi le montage en

    multipliant le signal de l’oscillateur variable avec celui de l’oscillateur fixe. Un générateur de

    signaux nous sert d’oscillateur fixe. Cependant nous avons remarqué que pour les fréquences

    élevées (145 kHz), le générateur dérive de manière importante, ce qui oblige à des réglages

    fréquents pour obtenir des battements.

    Schéma du multiplieur:

    Un multiplieur est un composant électronique qui fonctionne lorsqu’il est alimenté en

    +15Volt, 0Volt et –15 Volt, il permet de « mélanger » deux tensions afin d’en moduler une

    (en faire varier l’amplitude ou la fréquence). En effet, à la borne X1 est appliquée une tension

    dite modulante (U1) et à la borne Y1 c’est une tension que l’on appelle porteuse (celle qui sera

    modulée, U2). Enfin, la borne S (borne de sortie) permet de délivrer le signal modulé (Us), qui

    correspond à :

    Us = k*U1*U2 (k est un coefficient multiplicateur qui varie selon le multiplieur).

    Pour que la modulation soit satisfaisante, il faut que l’enveloppe supérieure du signal

    modulé (Us) suive les variations du signal modulant (U1).

    Le multiplieur, à sa borne de sortie, fournit un signal qui peut être audible grâce à un

    haut parleur qui convertit ce signal en onde sonore (entre 20Hz et 20kHz). Si U1 et U2 ont

    respectivement pour fréquence F1 et F2, le signal de sortie est la somme de trois tensions

    sinusoïdales de fréquence F1-F2, F1+F2 et F2. Plus la fréquence du signal est basse plus le son

    sera grave et inversement. Sans filtre passe bas, nous obtenons un signal audible utilisable

    pour la détection, même si le bruit de fond est important.

    Nous disposons au laboratoire d’oscillateurs ultrasonores pouvant fonctionner en

    émission continu, ou en salve. Leur fréquence est de 40kHz. Le détecteur présenté par la

    revue La nouvelle électronique fonctionne à cette fréquence. Nous avons tenté de multiplier le

    +15V

    -15V

    X1 Y1 S

    Masse

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    signal d’un de nos oscillateurs (41582 Hz) avec celui du générateur d’ultrasons. Les

    battements sont exploitables. On observe un pic vers 1kHz dans l’analyse de Fourier, qui

    correspond à la différence des deux fréquences.

    Nous avons ensuite réalisé un démodulateur à détection d’enveloppe pour obtenir un

    signal sans bruit de fond, c'est-à-dire ne contenant que la fréquence audible de détection.(voir

    partie 2).

    1.3.3 Changements de perspectives

    Après avoir obtenu ces premiers résultats encourageants, nous avons réfléchi à la

    commande du moteur. Nous avons un signal de fréquence variable qui doit être converti en

    tension continue pour piloter un transistor, par l’intermédiaire d’un montage comparateur.

    Une tension de référence est envoyée sur une des 2 entrées de l’amplificateur opérationnel

    fonctionnant en comparateur. Lorsque la tension de sortie du convertisseur fréquence tension

    passe par la valeur de référence, l’amplificateur opérationnel bascule de + 15V à -15V, ou

    inversement, et le transistor se bloque ou devient passant.

    La conversion fréquence-tension peut être obtenue par exemple par des bascules

    monostables (à construire ou par des circuits intégrés), ou encore par un filtre passe-bande. Et

    nous avons commencé à paniquer ! La table est pleine de composants, nous commençons à

    manquer de fils, les pannes se multiplient, les montages sont très longs à faire et à tester et il

    reste encore beaucoup d’étages à construire ! Nous ne comprenons nos montages que par

    l’expérience, et tout devient trop compliqué. Il faut changer de méthode.

    Devant l’augmentation inquiétante du nombre de composants et de fils de nos montages,

    nous nous sommes alors demandé s’il n’était pas possible d’utiliser un seul filtre passe-bande

    dans notre détecteur, pouvant à la fois servir à détecter le métal et à convertir la fréquence en

    tension. Et tout s’est simplifié…

    2- Le détecteur à filtre passe-bande de bande passante variable

    2.1- Modification du montage précédent

  • 10

    Nous utilisons dans ce montage un oscillateur sinusoïdal de fréquence fixe égale à la

    fréquence centrale du filtre passe-bande auquel il est associé. Le signal est simplement fourni

    par un générateur de signaux. Le filtre à circuit résonant RLC est issu de l’oscillateur

    précédent utilisé pour le détecteur à battement1 :

    Schéma du filtre sélectif

    Il est associé à un simple détecteur de crête dans toutes nos mesures :

    Schéma du détecteur de crête

    2.2- Tests d’un premier filtre

    Nous avons choisi comme premier montage, un circuit centré sur 42 kHz, c'est-à-dire

    sur une fréquence permettant une détection correcte avec l’oscillateur de notre première

    partie.

    Fréquence centrale du filtre à 42148 Hz, bobine jaune :

    Caractéristiques du montage complet :

    C = 4,7 nF, bobine jaune (2,2 cm sur 2,6 cm rectangulaire),

    Rp = 1MΩ, R = 22kΩ pour le filtre

    Cf =1μF, Rf = 1MΩ pour le détecteur de crête.

    Niveau fort du GBF (13,8 sur son affichage)

    1 D’après V.Chollet, Université de Franche Comté, TP électronique 2

    ème année S3 EA2-07.

    U détecteur de crête U sortie filtre

    U sortie filtre U entrée filtre

  • 11

    Voici les tensions obtenues en entrée et sortie du filtre, et en sortie du détecteur de

    crête, lorsque la fréquence du générateur est égale à la fréquence centrale du filtre, ici 42148

    Hz. Les signaux d’entrée et de sortie du filtre sont sinusoïdaux.

    Nous remarquons que Usortiefiltre est en opposition de phase avec Uentréefiltre si la

    fréquence d’entrée est égale à celle du centre de la bande passante, soit 42148 Hz. Si la tension Uentréefiltre évolue jusqu’à 30 kHz, Usortiefiltre a une amplitude qui diminue et est déphasé

    de T/4. De même si f augmente au-delà de 42 kHz. La tension U détecteur de crête tend aussi à

    diminuer.

    Nous avons constaté ces déphasages dans nos expériences, et leur évolution. Mais

    nous n’avons pas cherché à les étudier directement, car ils ne nous semblent être importants

    pour la qualité de la détection. L’évolution du déphasage est une conséquence de

    l’éloignement de la fréquence du signal d’entrée par rapport à la fréquence centrale du filtre.

    L’amplitude du signal de sortie du filtre peut être modifiée en changeant la valeur de

    R. Si R diminue, l’amplitude augmente. Il suffit que le signal ne sature pas à cause des limites

    de l’amplificateur opérationnel, car dans ce cas la détection peut être impossible.

    T/4

  • 12

    Nous avons calculé la valeur de l’inductance de la bobine : Fo = 1/(2Π√(LC)), donc

    Ljaune = (1/2πFo)².1/C = 3mH

    Avec ce filtre centré sur 42148 Hz, nous avons tracé l’évolution de la tension efficace

    de sortie du filtre Ueff et de la tension de sortie du détecteur de crête U détecteur de crête en fonction

    de la fréquence du signal d’entrée, lorsque tout métal est loin de la bobine.

    La plus grande valeur de Ueff est 1,07V. Ueff/√2 est obtenue pour 41kHz et 43 kHz.

    On obtient donc une bande passante à 3dB de 2kHz.

    Nous avons ensuite approché une masse de 100g de cuivre pour tester la sensibilité de

    notre montage.

    La tension continue diminue de manière significative à partir d’une distance de 2 cm

    entre le centre de la bobine détectrice et la masse de 100g de cuivre. La bobine jaune a un trou

    central de section rectangulaire de 2,2 cm sur 2,6 cm.

    Nous avons ensuite réalisé des essais avec le socle de potence de masse 1000g, notre

    modèle d’une mine anti-personnelle. Sa présence est décelée à 14 cm de la bobine, même à

    travers une planche 1,5 cm d’épaisseur. Si la masse métallique est cachée dans le sable, la

    détection est possible à partir de 10 cm.

    Notre système n’est pas un détecteur de métaux destiné à découvrir des pièces ou des

    bijoux, mais un détecteur de mines, c'est-à-dire de gros objets métalliques. La distance

    maximale de détection obtenue lors de cet essai nous semble satisfaisante.

    Le détecteur de métaux à battements du lycée a de meilleures performances que notre

    montage, puisqu’il détecte le socle à 22 cm, et qu’il est capable de détecter des pièces de

    monnaies à 5 cm. Il utilise une bobine circulaire de 20 cm de diamètre. Cependant notre

  • 13

    montage a l’avantage d’être beaucoup plus simple à construire et à comprendre, et ses

    performances sont plus limitées, mais restent acceptables à notre avis.

    Les métaux ferreux (fer, fonte, acier), et les métaux non ferreux (zinc, aluminium,

    cuivre) ne sont pas différentiés par notre système. L’un entraîne l’augmentation de la

    fréquence centrale du filtre, l’autre sa diminution. Dans les deux cas, la tension U détecteur de crête

    diminue. Le détecteur du lycée est capable de faire la différence. Les chercheurs de trésor

    utilisent cette différentiation pour faire la différence entre les objets de valeur et les ferrailles

    enterrées. Mais ce n’est pas notre but.

    2.3- Performances et choix des composants

    Nous avons envisagé de faire varier plusieurs paramètres de notre robot et d’étudier

    leur influence sur la distance de détection du modèle de mine. Nous avons modifié :

    - La forme du signal du générateur de signaux. - La valeur de l’inductance de la bobine et sa taille. - La fréquence centrale du filtre en modifiant C ou L. - La résistance R du filtre, pour modifier les valeurs de U détecteur de crête. Cependant les paramètres ne sont pas indépendants, et modifier la bobine modifie

    aussi la fréquence centrale du filtre. Nos bobines sont trouvées dans les tiroirs du laboratoire

    ou sont fabriquées à la main, avec du fil issu de vieilles bobines du lycée ou des fils

    électriques de l’atelier.

    Avec le montage du paragraphe précédent centré à 42 kHz, nous utilisons un signal

    triangulaire, puis créneau et enfin par impulsion, obtenu en modifiant la forme d’un signal

    créneau en augmentant la durée pendant laquelle la tension est à sa valeur minimale. Aucune

    amélioration des performances n’est constatée. La distance maximale de détection reste à 14

    cm pour le signal triangulaire, et diminue à 12 cm pour le signal créneau. Donc

    La forme du signal a peu d’influence sur la qualité de la détection

    Modifions la valeur de la résistance R

    du filtre à 42 kHz, pour un niveau constant

    du signal d’entrée, réglé sur la fréquence

    centrale du filtre : Uentréefiltremax = 4,2 V

    Usortiefiltremax = 3,6 V si R = 22 kΩ

    Usortiefiltremax = 7,9 V si R = 10 kΩ

    Usortiefiltre max> 10 V (non mesurable

    sur Latispro) si R < 8 kΩ

    Dans certaines limites, si R diminue,

    Usortiefiltremax augmente, ce qui facilite les

    réglages pour la détection. Cependant la

    distance maximale de détection n’est pas

    améliorée.

    Les résultats sont décevants avec notre bobine enroulée sur une boîte de Camembert,

    ronde de diamètre 10,7 cm. Le filtre est centré sur 85800 Hz et la variation de U détecteur de crête

    n’est que de 0,5V lorsque d varie de 100 mm à 0. Le système n’a plus aucune sensibilité

    lorsque la fréquence du filtre est à 106300 Hz. Nous concluons donc que :

  • 14

    Une fréquence centrale du filtre élevée n’est pas favorable à une bonne détection.

    Nous faisons un nouvel essai, avec une bobine ronde de 0,56 mH et 3 cm de diamètre

    et R = 1kΩ. Les dimensions de la bobine sont comparables à celle de la bobine jaune de 3 mH

    de l’oscillateur à 42 kHz. Le filtre est centré sur 14326 Hz. Le reste du montage précédent

    n’est pas modifié :

    L’amplitude des variations de U détecteur de crête est importante, mais la distance

    maximale de détection ne dépasse pas 10 cm.

    Avec un filtre centré sur une fréquence encore plus basse, 2743 Hz, la distance

    maximale de détection n’est que de 4 cm.

  • 15

    Une fréquence centrale du filtre basse n’est pas favorable à une bonne détection.

    Une fréquence centrale du filtre proche de 40 kHz semble être un bon choix.

    Forme de la bobine

    Nous avons testé d’autres bobines :

    - Longue bobine sur support bois, 22 cm de long et 3 cm

    de diamètre. Ne détecte que

    le métal placé à l’intérieur

    de la bobine, mais pas à

    l’extérieur. Fréquence du

    filtre 84600 Hz avec C =

    4,7nF et R =22 kOhm.

    Amplitude des signaux

    importante. Ils sont

    utilisables, mais la bobine

    ne détecte rien. Si on

    change C= 220 nF, aucun

    résultat, résonance vers

    11000 Hz, avec signal de

    sortie du détecteur de crête nul. Ces résultats sont cohérents car seul le champ

    magnétique créé à l’extérieur de la bobine sert pour la détection.

    - Enroulement de fil électrique vert jaune. Détecte correctement la grosse masse métallique d’un support de potence, à 23600 Hz (10 cm). R = 470 ohm et c=220

    nF.

    - Bobine bleu de plus petit diamètre, pas de meilleures performances. Détecte

    correctement le métal à travers une table

    de 3 cm (bois + carrelage). F =30766 Hz.

    Distance maximale de détection dans l’air

    7 cm.

  • 16

    Bobine bleue

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    0 10000 20000 30000 40000

    F en Hz

    Ueff

    (V

    )

    Bande passante à - 3dB de la bobine bleu = 1,5 kHz. La bande passante est plus faible

    que pour le filtre centré à 42 kHz, mais la distance maximale de détection est moins grande.

    Bobine géométrie dimensions L (mH) C (nF) F(Hz)

    bande passante -

    3dB (kHz) R (kΩ)

    Distance maximale de

    détection en cm

    jaune rectangulaire 2,2 cm sur 2,6 cm 3 4,7 42148 2 22 14

    bleue ronde 110 mm (0,4 kg) 0,125 220 30304 1,5 0,47 7

    rouge ronde 230 mm 0,15 220 27473 / 0,47 11

    verte et jaune ronde 230 mm 0,2 220 23648 / 0,47 10

    support bois cylindrique 250 mm 30 mm 0,75 4,7 84600 / 22 0

    boîte de camembert ronde 107 mm 0,02 220 85800 / 4

    bobineTACA ronde 130mm 1 4,7 71760 / 10 14

    bobineTACA ronde 130 mm 1 220 10600 / 10 2

    Bobine TACA ronde 130 mm 1 47 23000 / 10 7

    Les enroulements de couleur bleu, rouge ou verte et jaune sont inutilisables pour notre

    détecteur car le tracto-pelle ne peut les porter. Ce fil électrique est trop lourd. La pelle ne peut

    soulever plus de 150 g.

    La bobine « boîte de camenbert » est obtenue grâce à un enroulement de 20 tours de

    fils fin d’une vieille bobine de 16000 spires enroulées sur un support bois.

    La bobine TACA est obtenue grâce à un support circulaire de mobile à coussin d’air.

    Nous avons utilisé les derniers mètres de fils que nous possédions pour la fabriquer. Les

    résultats sont satisfaisants, surtout lorsqu’elle est en mouvement dans le tracto-pelle, où elle

    donne des résultats parfois meilleur que la bobine jaune. Dans son cas les meileurs résultats

    sont avec un filtre centré sur 71, 760 kHz.

    Un fil trop fin donne une inductance trop faible et un fil trop gros est trop lourd pour

    notre modèle réduit. La bobine jaune nous semble donc un bon compromis pour notre

    détecteur. Une bobine de même masse, même inductance, mais de plus grand diamètre

    donnerait peut-être de meilleurs résultats. Sur les sites d’utilisateurs de détecteurs de métaux,

    nous avons trouvé que plus la bobine a de petites dimensions, moins la profondeur de

    détection est grande.

    Signalons pour finir que nous avons aussi testé des associations de bobines, une seule

    servant à la détection. Lorsque nous avons deux bobines d’inductance L1 et L2 mises en série,

    elles sont équivalentes à une bobine d’inductance équivalente Leq=L1 + L2. Lorsque nous

  • 17

    avons deux bobines d’inductance L1 et L2 mises en parallèle, elles sont équivalentes à un

    bobine d’inductance équivalente Leq telle que 1/Leq=1/L1+1/L2. Ces expériences

    supplémentaires n’ont pas apportées d’amélioration des performances.

    2.4- Les dispositifs d’alerte et d’arrêt

    Nous nous sommes inspirés de la chaîne de régulation thermique de l’inspecteur de

    sciences physiques, M.Moreaux2, qui a été longtemps utilisée dans notre lycée, et dont la

    maquette a été fabriquée dans un autre lycée agenais, le lycée J.B de Baudre. Dans cette

    chaîne électronique, un transistor de puissance permet de déclencher ou d’arrêter le chauffage

    dans une enceinte fermée. Il est commandé par le signal de sortie d’un amplificateur

    opérationnel fonctionnant en comparateur. Nous avons essayé le même système pour arrêter

    ou lancer le moteur de notre robot.

    A la sortie du détecteur de crête, nous disposons d’une tension continue, qui diminue

    en présence d’un métal. Cette tension est envoyée sur l’une des entrées d’un amplificateur

    opérationnel, monté en comparateur. Sur l’autre entrée de l’amplificateur opérationnel est

    envoyée une tension continue de référence Eref. Sa valeur est légèrement inférieure à Udétecteur

    de crête en l’absence de métal.

    Avec un montage comparateur à amplificateur opérationnel, si sur l’entrée – la

    tension est plus faible que sur l’entrée +, alors la tension de sortie vaut +Vsat, sinon – Vsat.

    Nous pouvons donc avec deux comparateurs piloter l’arrêt du moteur, et le déclenchement du

    buzzer ou de la lampe.

    La carte d’acquisition étant limitée à +/- 10V, la tension n’est pas mesurable sur le

    logiciel Latispro. On observe sur le logiciel le basculement d’un tension de + 10 V à – 10 V.

    Elle est en fait de +/-12V, si on la mesure au voltmètre. Mais cette limite n’est pas importante

    dans notre cas. Le logiciel suffit pour voir basculer la tension du comparateur, même si la

    valeur indiquée est fausse.

    2 Cours de D. Gauthier, Lycée B.Palissy Agen, Seconde MPI / Association de quadripôles, chaîne électronique

  • 18

    Pour notre maquette, le moteur et son alimentation sont ceux de la voiture

    télécommandée, et sont donc embarqués. La bobine est également portée par le robot. Nous

    n’avons que 4 longs fils entre robot et montage électronique. La voiture est télécommandée et

    s’arrête automatiquement quand un métal est détecté. Le buzzer se déclenche ou la lumière

    s’allume.

    Les dispositifs d’alerte que nous avons testés, avec un transistor BD 139 ou 2N 3055

    S7638 , et une résistance de protection Rp de 470 Ω sont :

    - Un module musical alimenté en 5 V - Une lampe 6V 100 mA - Un buzzer Le module musical produit un son faible s’il est seul et un amplificateur est nécessaire.

    Nos essais avec des buzzers n’ont pas été concluants. La lampe et le module musical peuvent

    fonctionner en même temps.

    Sur l’acquisition ci-contre, nous

    voyons l’état différent des deux

    comparateurs : lorsque l’un est à

    +Vsat, l’autre est à –Vsat. Ainsi le

    moteur peut s’arrêter quand l’alerte se

    déclenche.

    Nous avons eu des problèmes

    de masse pour le circuit d’arrêt du

    moteur. En effet si le circuit

    l’alimentation du moteur n’est pas relié

    à la masse, le tractopelle ne s’arrête

    jamais. Par contre, quand la masse est

    connectée, le moteur tourne un peu

    moins vite, mais s’arrête en présence

    de métal. La résistance de protection

    vaut 470 Ω. Si elle est plus grande le

    Module

    M

    ERef

    Udétecteur de crête

    Dispositif de commande de l’alarme sonore, visuelle, et de l’arrêt du moteur

    Rp = 470 Ω

    Rp = 470Ω

  • 19

    moteur tourne moins vite, ou pas du tout.

    Avec la bobine de 13 cm de diamètre TACA (matériel deTable à Coussin d’Air), le

    filtre est à 71,7 kHz, et le signal de sortie du comparateur pilotant le moteur diminue lorsque

    le moteur fonctionne jusqu’à 7V. Nous sommes aux limites de l’utilisation de cet

    amplificateur opérationnel.

    Nous avons connu un échec en essayant d’alimenter la voiture avec un générateur

    indépendant, pour éviter d’avoir à recharger fréquemment les accumulateurs pendant nos

    essais. Le système que nous avions installé ne fonctionne pas. En effet, le générateur n’est

    pas assez puissant pour alimenter convenablement la voiture électrique qui doit servir de

    support au détecteur de métaux. Même deux générateurs en parallèle pouvant fournir chacun

    2 A ne permettent que de la faire avancer au ralentit. L’intensité demandée par le moteur est

    très importante, supérieure à 4 A pour avancer à vitesse normale, sous une tension de 18V.

    Nous pensons à utiliser une batterie de voiture, mais cela n’est pas pratique. Nous devons

    donc envisager une autre solution pour régler le problème de l’alimentation, et utiliser les

    accumulateurs, que nous devons souvent recharger.

    Il n’est pas courant, au laboratoire du lycée Palissy, d’avoir à commander un moteur

    nécessitant plus de 4A pour fonctionner. Notre professeur ne l’avait jamais fait. Nous avons

    alors rencontré des difficultés pour réaliser cette commande. Plusieurs transistors ne

    fonctionnaient pas correctement et ne permettaient pas de lancer le moteur. En effet, le

    courant devant traverser le moteur doit être important (plusieurs ampères) et il est

    proportionnel au courant de base. Le transistor 2N 3055 S7638, provenant de la chaîne de

    régulation thermique de M. Moreaux convient pour arrêter le moteur. Une résistance de

    protection de 470 Ω est placée entre l’AO et le transistor. Par contre, pour le déclenchement

    du buzzer, n’importe lequel des transistors trouvés au laboratoire fonctionne. L’intensité mise

    en jeu est beaucoup plus faible.

    Signalons qu’avant de trouver le bon transistor pour arrêter le moteur, nous avons

    aussi essayé avec un relais d’automobile. Ces relais permettent de faire la transition entre un

    courant faible et un courant fort. L’intensité nécessaire pour obtenir la fermeture du relais est

    plus faible (0.1 A), mais que la tension soit positive ou négative, le relais se ferme si

    l’intensité du courant est suffisante. Un relais " standard " est constitué d’une bobine ou

  • 20

    solénoïde qui lorsqu’elle est sous tension attire par un phénomène électromagnétique une

    armature ferromagnétique qui déplace des contacts. Mais après avoir trouvé un transistor

    satisfaisant, nous avons abandonné la piste du relais, parce que ses connections n’étaient pas

    adaptées à nos plaquettes, et que les fils que nous y avions soudés tenaient mal.

    2.5- Le robot en fonctionnement

    Voici une photo de notre montage complet et opérationnel ! Vous pouvez y voir :

    - Le générateur de signaux en entrée du filtre. - Le générateur continue alimentant les amplificateurs opérationnels et fournissant la

    tension de référence pour la comparaison.

    - Les quatre plaques de câblage, une pour le filtre, une pour le détecteur de crête, une pour chaque montage comparateur, transistor et circuit d’alerte ou de coupure

    du moteur.

    - Le tractopelle télécommandé portant la bobine de détection, et relié au montage électronique par 4 longs fils.

    - Les mains de Bastien portant la télécommande - Le socle d’une potence modélisant la mine à détecter. - L’écran de l’ordinateur et le boitier d’acquisition SYSAM-SP5, permettant de

    suivre l’évolution de toutes les tensions du système en fonctionnement, grâce à

    Latispro.

    Le montage fonctionne, mais avec le mouvement du véhicule, la distance maximale de

    détection d’une mine est faible, moins de 5cm.

    Notre professeur vient de commander de nouveaux composants et une plaquette

    d’essais de montage électronique, pour que nous puissions essayer de faire un circuit avec

    moins de fils, qui préparera la réalisation d’un circuit imprimé. Nous espérons que tout cela

    sera prêt pour les épreuves régionales. Nos premiers tests avec la plaquette d’essai, le 21

    septembre 2010, ne sont pas concluants. Les AO ne marchent pas. Nous n’avons pas acheté

  • 21

    de supports pour les AO, c’est peut-être ce qui nous manque pour assurer de bonnes

    connections. Nous pensons souder les AO TL 81 pour améliorer les contacts.

    Les AO

    Nous avons aussi pensé rendre notre détecteur autonome, c'est-à-dire supprimer

    le générateur de signaux et l’alimentation continue, et n’utiliser que la batterie du tractopelle.

    Cela n’a d’intérêt que si nous réalisons un circuit imprimé. Cependant réaliser une

    alimentation symétrique et un oscillateur est difficile et nous ne pourrons pas le faire avant le

    concours régional. Il faut également un montage diviseur de tension pour créer la tension de

    référence des comparateurs Eref , grâce à une résistance réglable. Nous travaillons pour

    l’instant à préparer notre présentation orale.

    Conclusion

    Notre robot fonctionne enfin. Il détecte, il signale et il s’arrête seul. Puis nous nous

    demandons, peut-être un peu tard, si notre système est bien un robot. Selon le dictionnaire

    encyclopédique illustré Larousse, un robot est « un appareil automatique capable d’effectuer

    des opérations selon un programme fixe ou modifiable : Utiliser un robot pour des opérations

    de déminage ». Notre véhicule s’arrête sans intervention humaine, et signale la présence du

    métal : c’est bien un robot !

    Notre travail a beaucoup de limites car nous avons très peu de connaissances en

    électronique, puisque jamais elle ne nous a été enseignée ! Malgré cela, nous avons réussi à

    fabriquer, entre les mois de mars et de novembre 2010, un détecteur opérationnel. Résumons

    son fonctionnement :

    - Le filtre passe bande, dont la fréquence centrale varie en présence de métal sert de capteur.

    - Le détecteur de crête converti le signal sinusoïdal du filtre en tension continue. - Cette tension continue a une valeur qui baisse en présence de métal, qu’il soit

    ferreux ou non-ferreux.

    - Un comparateur à amplificateur opérationnel bascule de + Vsat à – Vsat lorsque la tension de sortie du détecteur de crête diminue, et un second comparateur bascule

    de – Vsat à + Vsat.

    - Un transistor, utilisé comme interrupteur, se bloque pour arrêter le moteur du tractopelle, et un second transistor devient passant pour déclencher le signal sonore

    ou l’éclairage d’alerte.

    Si nous pouvons continuer notre travail, nous essayerons de fabriquer un circuit

    imprimé pour rendre notre système plus facile à utiliser.

    Cette aventure a été passionnante pour nous, car elle est notre seul et unique contact

    avec l’électronique au lycée. Nous avons beaucoup expérimenté, surtout pendant la fin de

    l’année de 1ère

    S. Nous avons détruit quelques composants et fait chauffer des alimentations

    continues en les branchant sur notre moteur. Nous n’avons pas abordé la théorie de nos

    montages électriques, mais nous avons compris leur fonctionnement et leur réglage en faisant

    des essais. Modifier la valeur d’un composant et observer son effet sur une tension étudiée,

    après accord de notre professeur : voilà notre méthode de travail.

    Nous avons eu un peu l’impression d’être des chercheurs dans un labo, qui essayent,

    qui se trompent, puis qui trouvent la bonne solution, même si nous n’avons rien découvert de

    nouveau !

    Bibliographie et Netographie :

    [1] Détection & Détecteur de métaux

  • 22

    http://www.la-detection.com/detecteur.htm

    [2] Détecteur.net : guide de la prospection au détecteur de métaux.

    http://www.detecteur.net/montages/montages.php

    [3] Site réalisé par 3 étudiants de l’IUT GEII3 de l'Isle d'Abeau

    http://detecteurdemetaux.free.fr/

    [4] Electronique-Pratique (juillet août 1994) : Schéma d’un détecteur de métaux ainsi que

    différentes explications sur le principe des détecteurs de métaux.

    [5] les détecteurs de métaux (Lionel MERLAT)

    http://www.artid.org/Fr/documentation_deminage/detecteursmetal.html

    [6]

    http://d.nardi.free.fr/metaux.htm

    http://www.la-detection.com/detecteur.htmhttp://www.detecteur.net/montages/montages.phphttp://detecteurdemetaux.free.fr/http://www.artid.org/Fr/documentation_deminage/detecteursmetal.htmlhttp://d.nardi.free.fr/metaux.htm